Влажность воздуха. Понятие вакуума
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока объяснить физический смысл относительной влажности и вакуума, применить формулы $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$ и $\rho=\frac{m}{V}$ к учебным и бытовым ситуациям, а также аргументированно оценить границы применимости понятия «вакуум».
- Сформировать представление о насыщенном и ненасыщенном водяном паре, абсолютной и относительной влажности воздуха.
- Научить определять относительную влажность по заданным значениям давления пара и давления насыщенного пара, а также анализировать показания психрометра.
- Показать, что вакуум является не «абсолютной пустотой», а областью пространства с разреженным газом и давлением ниже атмосферного.
- Развивать умение работать с экспериментальными данными, формулировать гипотезу, аргументировать выводы и связывать физические явления с метеорологией, медициной, техникой и химией.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают практическое значение знаний о влажности для здоровья, микроклимата помещения, сельского хозяйства и сохранности материалов.
- Проявляют познавательный интерес к исследованию физических явлений и готовность самостоятельно проверять гипотезы.
- Понимают значение точности измерений, соблюдения правил безопасной работы и добросовестного представления результатов.
- Связывают изучаемые понятия с выбором инженерной, медицинской, метеорологической или естественно-научной профессиональной траектории.
Метапредметные
- Извлекают информацию из таблицы, схемы, цифровой модели и показаний измерительных приборов.
- Планируют последовательность решения расчётной задачи и проверяют результат по физическому смыслу.
- Сотрудничают в парах, распределяют роли наблюдателя и аналитика, формулируют общий вывод.
- Сравнивают бытовое и научное употребление слова «вакуум», выявляют неточность утверждений и аргументируют исправленный вариант.
Предметные
- Знать понятия «водяной пар», «насыщенный пар», «абсолютная влажность», «относительная влажность», «точка росы», «вакуум».
- Уметь использовать формулу относительной влажности $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$ и объяснять смысл входящих в неё величин.
- Уметь интерпретировать показания психрометра и объяснять зависимость влажности от температуры.
- Уметь описывать вакуум через разреженность газа и давление, отличать частичный вакуум от идеализированного абсолютного вакуума.
- Владеть навыком построения краткого физического объяснения бытового или технического явления.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный смысл изучения влажности и вакуума через связь с безопасностью, здоровьем и будущей профессией.
- Проявляют ответственное отношение к точности измерений и корректности научных формулировок.
- Оценивают собственное продвижение от бытового представления к физической модели явления.
- Выражают готовность задавать уточняющие вопросы при непонимании физического смысла формулы.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования по наблюдаемому противоречию: воздух невидим, но может быть насыщенным паром или разреженным.
- Планируют решение задачи по данным о давлении пара и температуре.
- Осуществляют самопроверку единиц измерения, знаков и реалистичности полученного процента.
- Корректируют объяснение после сопоставления с экспериментом, таблицей или цифровой демонстрацией.
Познавательные УУД
- Различают абсолютную и относительную величины, соотносят их с конкретными физическими измерениями.
- Анализируют таблицу давления насыщенного пара и устанавливают влияние температуры на влажность.
- Строят логическую цепочку «охлаждение воздуха — достижение насыщения — конденсация — появление росы».
- Моделируют ситуацию с вакуумом через сравнение числа молекул и давления внутри сосуда с внешним давлением.
Коммуникативные УУД
- В паре распределяют роли, обсуждают гипотезу и представляют единый результат.
- Формулируют вопросы к объяснению партнёра и уточняют значение физических терминов.
- Аргументируют ответ ссылкой на формулу, экспериментальное наблюдение или физический закон.
- Корректно принимают замечания и совместно исправляют неполное или бытовое объяснение.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или интерактивную доску с фотографиями запотевшего окна, метеостанции, вакуумной камеры и упаковки с вакуумным запаиванием.
- Вывести на доску формулы $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$, $\rho=\frac{m}{V}$ и схему «ненасыщенный пар — насыщенный пар — конденсация».
- Распечатать карточки с тремя уровнями заданий: по одной карточке на каждого ученика, всего по числу учащихся.
- Подготовить для каждой пары таблицу с температурой и давлением насыщенного водяного пара, а также карточку с показаниями сухого и влажного термометров.
- Подготовить два термометра, влажную марлю, стакан с водой комнатной температуры и электронный датчик влажности либо приложение-симулятор.
- Подготовить прозрачный шприц без иглы, закрываемый пальцем, для демонстрации разрежения; заранее проверить исправность оборудования.
- Распечатать мини-лист «Билет на выход» по одному экземпляру на каждого ученика.
- Подготовить слайд с межпредметными связями: метеорология, биология человека, химия растворов, инженерные вакуумные технологии.
- Освободить безопасное пространство у парт для короткой физкультминутки без приборов и жидкостей.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и вызвать познавательное затруднение.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране два изображения: запотевшее окно и вакуумную упаковку. «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы исследуем два состояния воздуха, которые встречаются в быту и технике. Посмотрите на изображения и назовите, что общего у этих ситуаций с точки зрения физики». | Рассматривают изображения, формулируют предположения: «В обоих случаях важны свойства воздуха», «На окне появляется вода», «В упаковке воздуха почти нет». |
2 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». «Сначала 30 секунд сформулируйте личную гипотезу, затем обсудите её с соседом. Можно ли считать вакуум полной пустотой? Что означает влажность воздуха?» После обсуждения фиксирует на доске ключевые слова учащихся. | Индивидуально записывают по одной гипотезе, затем обсуждают её в паре и предлагают классу формулировки: «Влажность связана с количеством водяного пара», «Вакуум — это очень разреженный газ». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что привычные слова требуют точного физического смысла. Сейчас проверим, какие знания о молекулярном строении вещества помогут описать влажность и вакуум».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о молекулярном строении вещества, испарении, конденсации и давлении газа.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель выводит на экран четыре утверждения и предлагает приём «Светофор». «Поднимите зелёную карточку, если утверждение верно, жёлтую — если требуется уточнение, красную — если оно неверно. Первое: испарение происходит только при температуре кипения. Второе: давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда. Третье: при охлаждении ненасыщенного пара его плотность всегда возрастает. Четвёртое: конденсация — переход пара в жидкость». | Отмечают цвет карточки и объясняют выбор: «Испарение происходит при любой температуре», «Давление связано с ударами молекул», «При охлаждении может начаться конденсация», «Конденсация — переход в жидкость». |
3 мин | Учитель задаёт вопросы эвристической беседы: «Что происходит с молекулами воды при испарении? Почему в закрытом сосуде одновременно идут испарение и конденсация? Как связаны число молекул и давление газа?» На доске строит кластер вокруг слова «пар». | Отвечают: «Молекулы покидают поверхность жидкости», «В закрытом сосуде пар возвращается в жидкость», «Чем больше молекул и чем чаще они ударяются о стенки, тем больше давление». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что водяной пар является газом и создаёт собственное давление. Теперь выясним, как это давление характеризует влажность воздуха».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему и спланировать открытие нового знания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует на экране две ситуации: в комнате при $20\ ^\circ\mathrm{C}$ содержится одинаковое количество водяного пара, но в одном случае воздух охлаждают до $10\ ^\circ\mathrm{C}$. «Почему после охлаждения на стекле появляется вода, хотя количество водяного пара первоначально не изменилось? Можно ли описать влажность одним числом без указания температуры?» | Анализируют ситуацию в парах, отвечают: «При охлаждении воздух может стать насыщенным», «Нужно сравнить фактическое давление пара с максимально возможным при данной температуре». |
2 мин | Учитель предлагает сформулировать цель урока и записывает согласованный вариант: «Научиться количественно описывать влажность и объяснять, что означает вакуум». «Какие действия нам потребуются? Назовите план: понятия, формула, эксперимент, применение». | Формулируют план: «Разобраться с насыщенным паром, вывести относительную влажность, решить задачу, исследовать разрежение и проверить понимание». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Проблема поставлена: одинаковая масса водяного пара может соответствовать разной влажности. Начнём с понятия насыщенного пара и найдём способ сравнивать состояния воздуха».
Этап 4. Открытие нового знания. Влажность и вакуум (12 мин)
Цель этапа: совместно вывести определения и формулы влажности, а также сформировать научное представление о вакууме.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель показывает схему «жидкость — пар» и объясняет через вопросы: «В закрытом сосуде испарение продолжается, но одновременно часть молекул возвращается в жидкость. Когда число покидающих жидкость молекул в среднем равно числу возвращающихся, пар называют насыщенным. Как изменится давление насыщенного пара при повышении температуры?» | Отвечают: «Молекулы движутся быстрее, испарение усиливается, давление насыщенного пара возрастает». Записывают определение насыщенного пара и вывод о зависимости от температуры. |
3 мин | Учитель записывает на доске: «Абсолютная влажность — плотность водяного пара в воздухе: $\rho=\frac{m}{V}$. Относительная влажность — отношение давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре: $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$.» «Почему относительная влажность измеряется в процентах? Что означает $\varphi=100\%$?» | Записывают определения и формулы. Отвечают: «Сравниваются две величины», «Пар насыщенный, дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию». |
3 мин | Учитель организует работу в парах с таблицей психрометра. «Сухой термометр показывает $20\ ^\circ\mathrm{C}$, влажный — $16\ ^\circ\mathrm{C}$. По таблице найдите относительную влажность. Объясните, почему влажный термометр показывает меньшую температуру». Напоминает: испарение требует энергии. | В парах находят значение влажности по таблице, получают примерно $75\%$, объясняют: «Вода испаряется с марли и забирает энергию, поэтому влажный термометр охлаждается». |
2 мин | Учитель сжимает и разжимает закрытый пальцем шприц. «Внутри шприца после вытягивания поршня молекул меньше, чем при атмосферном давлении. Это вакуум?» Затем уточняет: «В школьной физике вакуумом называют состояние газа, при котором давление значительно ниже атмосферного. Абсолютный вакуум — идеализация, полностью свободного от частиц пространства практически не получают». | Наблюдают изменение объёма воздуха, формулируют: «В шприце создаётся частичный вакуум», «Абсолютный вакуум — предельная модель». |
Запись в тетрадях
- Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
- Абсолютная влажность: $\rho=\frac{m}{V}$.
- Относительная влажность: $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$.
- Вакуум — область с давлением газа, значительно меньшим атмосферного; абсолютный вакуум является идеализированной моделью.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы получили две модели: влажность сравнивает реальное состояние водяного пара с насыщенным, а вакуум описывает степень разрежения газа. Теперь проверим эти идеи на расчёте и на данных измерения».
Этап 5. Первичное закрепление и физкультминутка (6 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм применения формулы и снять кратковременное статическое напряжение.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель разбирает задачу: «При температуре $20\ ^\circ\mathrm{C}$ давление водяного пара в комнате равно $1{,}4\ \mathrm{кПа}$, а давление насыщенного пара при этой температуре — $2{,}3\ \mathrm{кПа}$. Найдите относительную влажность воздуха». «Сначала назовите известные величины, затем запишите формулу и оцените, может ли ответ быть больше $100\%$». | Записывают условие, формулу и вычисление: $\varphi=\frac{1{,}4}{2{,}3}\cdot100\%\approx61\%$. Проверяют: «Ответ меньше $100\%$, значит пар ненасыщенный». |
2 мин | Учитель проводит физкультминутку: «Встаньте рядом с партами. На вдохе поднимите руки, представляя расширение газа, на выдохе опустите их, представляя уменьшение объёма. Выполним четыре медленных цикла, затем потянемся вверх и расслабим плечи. Садимся, возвращаем внимание к задаче». | Выполняют четыре цикла дыхательных движений и лёгкую растяжку, затем возвращаются к рабочей позе. |
Эталон решения
Дано: $p=1{,}4\ \mathrm{кПа}$, $p_{нас}=2{,}3\ \mathrm{кПа}$. Используем $\varphi=\frac{p}{p_{нас}}\cdot100\%$. Подставляем значения: $\varphi=\frac{1{,}4}{2{,}3}\cdot100\%\approx60{,}9\%$. Ответ: относительная влажность примерно $61\%$; воздух ненасыщенный.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы применили формулу, проверили физический смысл ответа и увидели, что процент влажности показывает степень приближения пара к насыщению. Теперь каждый самостоятельно решит задачу и объяснит результат».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой и ИКТ (10 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание формул, психрометрического метода и понятия вакуума.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
6 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней и выводит на экран цифровой датчик влажности или симуляцию. «Выберите уровень по готовности. Минимум: вычислите влажность при $p=1{,}0\ \mathrm{кПа}$ и $p_{нас}=2{,}0\ \mathrm{кПа}$. Базовый: объясните, почему при охлаждении воздуха до точки росы появляется конденсат. Повышенный: сравните влажность при одинаковом $p$ и разных температурах, используя таблицу $p_{нас}$». | Индивидуально решают выбранное задание. Получают для минимального уровня $50\%$, для базового формулируют: «При достижении насыщения дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию», для повышенного сравнивают отношения $p/p_{нас}$. |
2 мин | Учитель предлагает цифровую проверку двух утверждений: «Вакуум — это пространство, где нет ни одной частицы» и «При одинаковом количестве пара относительная влажность при охлаждении может увеличиваться». Просит выбрать вариант и кратко обосновать. | С помощью устройств или сигнальных карточек выбирают: первое утверждение в школьной реальной технике неточно, второе верно при приближении к насыщению. Записывают по одному аргументу. |
2 мин | Учитель организует взаимопроверку по эталону на экране. «Обменяйтесь карточками с соседом. Проверьте формулу, подстановку, единицы и вывод. Напишите две сильные стороны решения и одно пожелание по приёму “Две звезды и пожелание”». | Сверяют решение с эталоном, отмечают корректные действия, формулируют одно конкретное пожелание: «Нужно было указать, что давление насыщенного пара зависит от температуры». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Самостоятельная работа показала, что формула становится понятной только вместе с физическим смыслом величин. Осталось связать влажность и вакуум с другими науками и жизненными задачами».
Этап 7. Межпредметное применение, рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: обобщить знания, установить межпредметные связи, оценить достижение цели и объяснить домашнюю работу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает схему связей: «В метеорологии влажность помогает прогнозировать туман и осадки; в биологии человека влияет на теплоотдачу; в химии и фармацевтике важна для хранения веществ; в инженерии вакуум используется в термосах, электронных лампах и упаковке. Выберите одну связь и объясните её через физику». | Формулируют объяснения: «При высокой влажности пот испаряется хуже и телу труднее охлаждаться», «В вакуумной упаковке меньше молекул воздуха и слабее окисление продукта». |
2 мин | Учитель раздаёт «Билет на выход»: «Ответьте письменно на три вопроса: что означает относительная влажность $70\%$; почему охлаждение может вызвать росу; почему вакуум не равен абсолютной пустоте». Затем проводит рефлексию «Светофор»: «Зелёный — могу решить и объяснить, жёлтый — нужна тренировка, красный — нужна помощь». | Заполняют билет на выход, указывают цвет самооценки и формулируют личный вопрос, если он остался. |
1 мин | Учитель объясняет домашнее задание и критерии проверки: «Выберите обязательный уровень; повышенный и дополнительный выполняйте по желанию. В каждом решении записывайте формулу, подстановку и физический вывод. На следующем уроке начнём с разбора типичных ошибок». | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы, формулируют итог урока: «Влажность сравнивает реальное и насыщенное состояние пара, а вакуум связан с разрежением газа». |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнено задание выбранного уровня, записана формула, корректно выполнены вычисления, дан физический вывод; для повышенного уровня дополнительно объяснена зависимость влажности от температуры.
- «4» — основной расчёт и вывод верны, но допущена одна неточность в обозначениях, округлении или объяснении понятия вакуума.
- «3» — правильно определён ход решения или дано верное качественное объяснение, но имеются ошибки в подстановке, вычислениях либо отсутствует физический вывод.
- Ниже базового уровня — работа требует доработки: ученик вместе с учителем повторяет смысл $p$, $p_{нас}$ и относительной влажности.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что означает относительная влажность $60\%$? | Проверка понимания отношения фактического давления пара к давлению насыщенного пара. |
Почему после охлаждения воздуха может появиться роса? | Выявление понимания зависимости давления насыщенного пара от температуры и процесса конденсации. |
Как вы объясните, почему вакуум не является полной пустотой? | Проверка корректности научного определения и устранение бытового заблуждения. |
На каком шаге решения задачи вам потребовалась помощь? | Выявление индивидуальных затруднений в алгоритме и планирование коррекции. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы научились описывать влажность не бытовой фразой, а отношением давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре. Мы также увидели, что охлаждение воздуха может привести к насыщению и появлению росы. Вакуум — это не магическая пустота, а область с очень малым давлением и разреженным газом. Следите за тем, чтобы в задачах не путать абсолютную и относительную влажность. На следующем уроке мы разберём типичные ошибки и рассмотрим применение влажности и вакуума в тепловых машинах и приборах».»
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 3 задачи на вычисление относительной влажности по значениям давления водяного пара и давления насыщенного пара при заданной температуре; письменно объяснить, что означает результат меньше, равный или больше $100\%$. | Закрепляет формулу и проверку физического смысла ответа; при проверке смотреть на обозначения, единицы и вывод. |
Средний (повышающий) | Решить 2 задачи по данным сухого и влажного термометров с использованием таблицы влажности и составить объяснение принципа работы психрометра из 4–5 предложений. | Развивает навык чтения экспериментальных данных и объяснения зависимости испарения от температуры; при проверке оценивать последовательность рассуждения. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование на 8–10 предложений: выбрать бытовое или техническое применение вакуума, описать, как уменьшается давление газа, и указать, почему практически речь идёт о частичном, а не абсолютном вакууме. | Формирует исследовательское мышление и межпредметную связь с техникой, медициной или химией; при проверке смотреть на точность терминов и наличие причинно-следственной связи. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какая величина называется абсолютной влажностью? Как записывается формула относительной влажности? Что происходит с относительной влажностью при охлаждении ненасыщенного воздуха? Чем частичный вакуум отличается от абсолютного?»
